大功率高速旋转整流盘的设计

刘兆江，张贵滨

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨 150040)

大功率高速旋转整流盘的设计

刘兆江，张贵滨

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨 150040)

根据电机特点给出了整流电路，介绍了电气元件参数选择和结构设计方法，大功率高转速无刷励磁电机需要结构强度大、二极管和压敏电阻性能好，可靠性高的旋转整流盘，对于同类整流盘的设计有一定参考价值和实用意义。

大功率；高速；整流盘；设计

0 引言

旋转整流盘装置是随着电力电子技术的发展而发展起来的，它避免了碳刷和滑环接触而发生的各种机械和电气故障，在矿山、石油、化工等防爆领域得到了广泛的应用。因其运行可靠，维护方便，高速大功率无刷励磁电机获得了用户越来越多的青睐，市场前景广阔。整流盘是无刷励磁电机的关键部件，它和电机同轴安装，随着电机高速旋转。为防止离心力大导致整流盘各部件发生屈服而破坏结构强度，其外径和重量比普通同功率整流盘小很多。装置上电气元件安装空间小，发热量大，散热面积小，如果其热量不能迅速有效散发，易导致热击穿或烧毁事故。一部分产品在二极管螺栓上安装了散热片；另一部分产品则在结构上增加了离心式风扇，结构复杂，加工难度大。此外，由于电器元件重量的非一致性，自体动平衡性较差，安装后容易引起电机的振动。本文将结合某项目电机，介绍一种高速大功率旋转整流盘的设计方案，该结构紧凑，强度高，易于电气元件的安装更换。

1 主要技术指标

励磁机为交流励磁机，额定励磁电压100V；额定励磁电流490A；频率60Hz；额定转速4800r/min。

2 旋转整流器电路型式

整流电路与励磁控制相对应，通常有三相桥式整流电路、三相可控桥式整流电路和三相半控桥式整流电路三种。与传统的无刷同步电动机励磁系统中的旋转励磁系统相比较，本方案涉及的主电机以同步方式起动，不考虑为异步起动时转子产生的感应电流提供释放通道，且不需要考虑滑差捕获、投励时机判定等起动过程控制； 另外，该类电机为高速或超高速电机，要求旋转整流电路应尽可能简洁。从国外同类产品来看，其旋转整流盘中均取消了起动灭磁电阻，现有的变频器技术可以保证变频起动过程中不出现异步过程，正常运行中大型同步电动机发生失步的几率很小，且一旦发生失步机组继续运行的可能性为零。在这种情况下整流元件是否损坏可通过控制设备进行判定，因此采用三相桥式全波整流电路，电路形式如图1。

图1 旋转整流器电路

3 整流元件二极管参数的确定

二极管是整流盘的关键部件，其主要参数选取如下。

3.1 电流Id为电机强励状态下的最大励磁电流的有效值，所需工作电流

式中，K1—分布系数，取1.2；K2—过载倍数，取1.3；m—相数，取3；z—二级管支路数，取2，计算值应小于元件允许电流的有效值。

3.2 电压Ud为电机起动时的最大励磁电压的有效值, 反向重复峰值电压(电压浪涌)

式中，K3—强励倍数，取1.3；K4—安全倍数，取5；K5—直流转为交流电压系数，取1.2。计算值元应小于元件允许电压的有效值。

3.3 二极管应能承受整流盘超速时的离心加速度

α=kω2R

式中，k—安全系数，取1.2；ω—角速度，取502；R—二级管旋转半径，取0.2m。

3.4 二极管的耐振动水平，按照无刷发电机旋转整流管规定，其离心加速度为12250m/s2(恒加速度)和振动加速度为49m/s2(均方根)的同时作用下应能承受长期通电工作。

综合考虑具体情况情况，选用电流400A，反向电压1000V，离心加速度为6200g的二极管。

4 二极管保护元件的确定

电机运行时可能出现励磁电流(直流励磁电流与感应电流叠加后)反向情况，此外整流装置为三相不可控桥式整流电路，在直流侧将产生换向过电压，为吸收其过电压和反向能量，防止整流二极管反向击穿，在整流侧并联压敏电阻。考虑到压敏电阻失效后，瞬态冲击电流可能会损伤励磁机电枢绕组，因此，本结构采用快速熔断器与压敏电阻串联的保护方式。压敏电阻主要参数选取如下。

4.1 压敏电压

U=k6Ud/2

式中，k6—调整系数；为防止压敏电阻误动作，取4，计算后为200V。

4.2 能容量的确定

在许多情况下，实际发生的能流量是很难精确计算的，针对此电机的特点，能容量取灭磁容量的50%。按照发电机励磁绕组回路考虑，每个容量

W=0.5If2Tdo′RfK7/8

式中，If—电机正常运行最大励磁电流，取490A；Tdo′—空载转子时间常数，取2.79s;Rf—转子绕组75℃时的电阻，取0.153Ω；K7—机组特性系数，取0.6。综合考虑具体情况，按照保险系数1.3计算选用压敏电压200V，能容量为5kJ的压敏电阻。

5 结构设计

旋转整流盘结构与电机种类、功率和转速等有关，应满足主轴强度及其临界转速要求。其上安装的支架主要分为整体圆轮辐板型、分离拼接圆轮辐板型、τ字形、T字形、双匚字形和I字形支架圆环六种，本设计以正负导电环作为支撑支架，结构如图2所示。

图2 结构示意图

正极导电环和负极导电环用支撑板定位，安装间隙应足够小，以确保旋转后各零件的同轴度和结构强度。支撑板选用特殊材质，该材料具有很高的机械强度和绝缘性能，并通过绝缘螺杆、绝缘垫和防松螺母锁紧固定。支撑板与轴套用高强度材料制成的六角头螺栓压紧把牢，其安装间隙也足够小，通过轴套的内孔与无刷励磁机的传动轴紧配合传递转速。每个导电环内径处加工有凹槽，通过连接板与六个正极二极管、六个负极二极管和四个压敏电阻相连，利于二极管和压敏电阻的常规检查及更换，然后用高强度无纬带绑扎到导电环外圆上的环型凹槽内，防止电机在高速旋转时的离心力破坏整流盘结构强度。绑扎力应均匀，大小根据导电环所受离心力和材料强度确定。

每个二极管固定到连接板上，安装空间相隔60°,相同极性的二极管接到同一个导电环侧，相反极性的二极管为一组，每组间用导电杆短接一起，其中导电杆和轴套间加有绝缘管，保证装置能够承受需要的对地耐压。每两个压敏电阻为一组，他们之间用短接片连接，励磁机的交流引线分别连接到每组二极管的连接片上，整流后正负极电流用两个导电块导出，通过引出线连接到主机的励磁绕组上。为保证结构的对称性，在X轴处加配重块。导电环端面设有加强筋，旋转时能将整流元件产生的热量靠对流方式带走。每个加强筋间开有配重孔，安装配重螺钉加以调整，解决了由于零件加工以及装配误差和元件更换后质量差异造成的质量分布不均匀，转动产生不平衡离心力使电机产生振动的问题。该装置工作转速高，所受离心力大，所有紧固件涂抹螺纹胶，防止零件松动，发生危险。

6 基于有限元法的强度计算

导电环、无纬带、轴套和绝缘垫板是装置的重要组成部分，决定其运行的可靠性，因此本设计对静止、额定转速和超速三种状态下的强度采用了有限元计算。

6.1 导电环、无纬带强度的计算。

根据设计方案，将螺栓预紧力等效为压力，无纬带预紧力通过降低温度施加，其边界条件如图3。

图3 旋转整流器边界条件

图3中，A—二极管等效压力；B—压敏电阻等效压力；C—转速；D—支撑板内圆环向约束；E—无纬带轴向约束；F、G—绝缘螺杆等效预紧力；H—配重等效压力；I、 J—绝缘板轴向止动约束。

导电环采用高强度铝合金，屈服极限σs1为365MPa；无纬带固化后热态强度极限σs1为900MPa，计算结果如表1所示。

表1 导电环和无纬带最大应力计算结果(MPa)

6.2 轴套、绝缘垫板强度的计算。

方案中绝缘垫板承受的离心力分为两部分：一部分为自身离心力和导电环与绝缘垫板之间的摩擦力；另一部分为导电环与绝缘垫板之间的最大摩擦力：其边界条件如图4。

图4 轴套和绝缘垫板边界条件

图4中，A—转轴轴向约束；B、C、D、E、F、G—螺栓预紧力；H—转速；I—绝缘垫板轴向约束；J—导电环压紧力对绝缘垫板产生的径向拉力绝缘垫板屈服极限σs1—215MPa；轴套采用高强度合金钢，屈服极限σs1—355MPa，轴套与轴配合直径方向的紧量为0.1mm，计算结果如表2所示。

表2 轴套和绝缘垫板最大应力计算结果(MPa)

7 结语

通过整流电路计算，确定了电气元件的主要参数；采用有限元法对静止、额定转速和超速三种状态下的结构强度进行了计算。目前，该电机现场运行良好，表明设计方法是合理的，对于同类整流盘的设计具有一定的参考价值和实用意义。

[1] 李幼倩，韩君强.现代新型无刷励磁同步电动机的设计及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.1.

[2] 林诚格.非能动安全先进压水堆核电技术[M].北京：原子能出版社，2010.10.

[3] 刘瑞增，丁树业.发电机内部流体流动与定子热性能数值分析.防爆电机，2010.3.

Design of Large-Power High-Speed Rotating Rectifier

LiuZhaojiangandZhangGuibin

(Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150040, Chinaa)

This paper gives the rectifier circuit based on motor characteristics, and introduces the parameter selection and structure design methods of electric elements. A large-power high-speed brushless excitation motor requires a rotating rectifier which have high structural strength and reliability and is equipped with high-performance diode and piezoresistor. It has a certain reference value and practical significance for design of similar rectifier.

Large power;high speed;rectifier;design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.04

TM302

A

1008-7281(2017)02-0012-004

刘兆江 男 1973年生；毕业于哈尔滨理工大学电机与电器专业，硕士研究生，现从事电机设计开发工作.

2016-06-06